Energooszczędny system odladzania samolotów
Podczas lotu na powierzchni samolotu tworzy się lód, co jest efektem działania siły w momencie zderzenia z kropelkami wody zawartymi w chmurach lub deszczu. Dlatego tak ważne jest, aby części płatowca – a zwłaszcza skrzydła i wloty silnika – były chronione przed gromadzeniem się kryształków lodu. „Zwykle można temu zapobiec, stosując dwie metody”, wyjaśnia koordynator projektu InSPIRe Helmut Kuehnelt z Austriackiego Instytutu Technologii (AIT). „Jest to albo instalacja przeciwoblodzeniowa, która zapobiega osadzaniu się lodu, albo system odladzania, za pomocą którego usuwane są warstwy już nagromadzonego lodu”. W dużych samolotach pasażerskich zazwyczaj stosowane są termiczne systemy przeciwoblodzeniowe, które do zapobiegania tworzeniu się lodu wykorzystują gorące powietrze z silników. Wadą takich systemów jest jednak ich wysoka energochłonność, ponieważ potrzebują one stałego zasilania.
Wyzwania związane z odladzaniem samolotów
W przypadku mniejszych samolotów regionalnych ograniczona dostępność energii elektrycznej na pokładzie oznacza, że technologia usuwania lodu za pomocą ciepła w praktyce nie ma racji bytu. „Zauważyliśmy, że na rynku istnieje zapotrzebowanie na system odladzania o minimalnym poborze mocy, specjalnie dostosowany do samolotów regionalnych i niewymagający częstej konserwacji”, mówi Kuehnelt. W związku z tym założeniem projektu InSPIRe było zaprojektowanie i opracowanie energooszczędnego, zintegrowanego elektrotermicznego systemu ochrony skrzydeł przed oblodzeniem (ang. electrothermal wing ice protection system, EWIPS), którego prototyp został następnie przetestowany na pełną skalę w iwt (tunelu aerodynamicznym do badania oblodzenia) (IWT). „Chcieliśmy pokazać, że elektrotermiczny system odladzania może zapewnić skuteczną ochronę przed lodem, wielokrotnie ogrzewając wiele stref bez potrzeby stałego zasilania”, wyjaśnia Kuehnelt.
Demonstracja energooszczędnego systemu odladzania
Chcąc osiągnąć założone cele, zespół zaprojektował nową koncepcję EWIPS zupełnie od podstaw. Pierwszym krokiem były szczegółowe analizy numeryczne dotyczące przepływu powietrza, akrecji lodu i mechanizmu odladzania. Następnie opracowano krawędź natarcia skrzydła, czyli część skrzydła, która jako pierwsza wchodzi w kontakt ze strumieniem powietrza, z myślą zastosowaniu do niej prototypowej technologii warstwy grzejnej. Pozwoliło to zespołowi na umieszczenie stref grzejnych możliwie jak najbliżej siebie, aby zminimalizować ryzyko pozostawienia jakiejkolwiek powierzchni bez ogrzewania. Integralność całej instalacji została potwierdzona licznymi testami. Dodatkowo opracowano odpowiedni sprzęt elektroniczny do zasilania i sterowania EWIPS. „Jednak wyprodukowanie prototypowej krawędzi natarcia skrzydła, wraz z dołączonym zasilaniem i miniaturowymi czujnikami termicznymi, stanowiło prawdziwe wyzwanie”, zaznacza Kuehnelt. „Po nieudanej pierwszej próbie konieczne było opracowanie nowych narzędzi i procesów produkcyjnych”. Niemniej jednak zespół projektowy wytrwał w swoim postanowieniu, dzięki czemu koncepcja systemu EWIPS o niskim poborze mocy opracowana w ramach projektu InSPIRe została z powodzeniem zademonstrowana pod koniec 2022 roku w IWT CIRA. „Badania wykazały, że zastosowanie rozwiązania InSPIRe obniża zużycie energii o 25 % w porównaniu z tradycyjnymi systemami odladzania oraz o około 70 % w porównaniu z tradycyjnymi systemami przeciwoblodzeniowymi”, dodaje Kuehnelt. „Będzie to miało również wpływ na ogólne zużycie paliwa i emisyjność samolotów”.
Oszczędność paliwa podczas lotu
Jeśli ta nowa technologia odladzania o małej mocy zostanie wprowadzona do komercyjnego użytku, może pomóc regionalnym liniom lotniczym w znacznym obniżeniu zużycia paliwa. W ostatecznym rozrachunku prototyp krawędzi natarcia skrzydła okazał się bardzo solidny, z kolei zespół projektu okazał się zdolny do przezwyciężenia początkowych niepowodzeń, aby osiągnąć swoje cele. „Mamy nadzieję, że wyniki te przyczynią się do projektowania bardziej energooszczędnych, a tym samym bardziej ekologicznych samolotów w przyszłości”, mówi Kuehnelt. „Niektóre aspekty projektu będą oczywiście wymagały ponownej analizy, która pozwoli na dalsze doskonalenie technologii i optymalizację systemu na potrzeby samolotów”. Energooszczędna technologia EWIPS, pierwotnie opracowana w ramach projektu InSPIRe, może być również atrakcyjnym rozwiązaniem w przypadku innych zastosowań lotniczych, takich jak inne mniejsze samoloty krótkodystansowe i większe drony. „Istnieje duże prawdopodobieństwo, że możliwości praktycznego zastosowania naszych wyników są o wiele szersze”, dodaje Kuehnelt.
Słowa kluczowe
InSPIRe, samolot, odladzanie, termiczny, EWIPS, lotniczy, przepływ powietrza, elektrotermiczny
